考虑等效阻抗关联模型的新能源双环网负荷极限评估

刘继成，崔曦文，张运厚，李岩春，吴昊

（1.国家电网有限公司东北分部，辽宁沈阳 110000；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192；3.太原理工大学，山西太原 030024）

0 引言

电力负荷可调节特性准确评估是保证电力系统安全经济运行的必要条件之一。影响用电负荷波动特性的因素较多且作用机理复杂，往往难以对其可调节极限做出准确评估和预测[1]，[2]。电力负荷可调节特性评估可根据特定时间尺度的用电负荷及温度、湿度、日期类型等负荷相关历史数据，预测未来不同时间尺度下用电负荷曲线及其可能的最大可调节范围。对其进行准确的评估预测不仅有利于提高电网功率平衡调控效率，也可为电力系统安稳运行控制策略优化提供依据。

大量分布式新能源发电的并网，往往会导致配网侧负荷特性发生变化，原有的负荷模型已不能准确地反映出负荷的动态特性[3]～[5]。目前，电力负荷极限评估方法主要分为负荷预测与需求侧响应两类。负荷预测主要分为基于数理统计学[6]～[8]、深度学习、机器学习[9]～[11]等方法。基于数理统计学的负荷极限预测方法简便，负荷特征量表征能力水平不强，对特殊场景的感知能力较差。基于机器学习的负荷极限预测方法具有较优的表征能力水平，但易出现负荷数据信号丢失的问题，难以对负荷极限进行量化[12]。电力负荷极限评估还可以基于需求侧响应对负荷可调节极限进行优化，分析负荷的可转移、可削减、可平移特性，利用可控负荷改变原有的负荷极限，提高电网的调节能力[13]。目前，关于负荷极限评估方法研究的文献大多是针对负荷预测水平的精度提高进行探讨，或考虑需求侧响应对负荷极限进行调节，但忽略了网络阻抗关联度对负荷极限的影响，关于新能源双环网网络的负荷特性还未进行深入研究。

双环网在提高供电可靠性的同时，也带来了运行方式复杂、电网等效参数随运行方式变化频繁等问题。因此，在不同的运行方式场景下，双环网负荷极限特性将出现不同的特征，而这一极限特征又与双环网间的关联阻抗参数有关。本文基于双环网这一特性，综合考虑静态电压稳定极限、双环网供电能力等参数，首先建立双环网戴维南等值电势和等效关联阻抗模型，并考虑新能源出力的不确定性，提出改进的分布式路由算法。最后提出新能源双环网负荷极限优化方法，并通过仿真算例证明模型的有效性。

1 双环网戴维南等值电势和等效关联阻抗模型

新能源电力接入配网后，根据新能源出力波动特性，双环网须要依据负荷、分布式新能源、传统火电机组等源网荷组合特征调整环网运行方式。在不同的运行方式下，双环网的阻抗关联模型也不同，则双环网等效电路及其分布特性也不同。因此，须要研究双环网电压、电流特性与关联阻抗之间的对应关系。双环网网络结构如图1所示。

图1 双环网网络结构Fig.1 The structure of the double-ring network

双环网戴维南关联阻抗对节点电压的作用取决于关联阻抗的电压降，且受到节点电流变化的影响。根据以上特性，将双环网系统等值节点的电压影响分为等效电势和等效阻抗两方面。根据戴维南定理，节点等值开路电压与等值电势数值上是相等的，负荷节点i的开路电压可分别表示为

式（3）为与等值节点负荷电流大小无关的电源节点对等值节点电压的作用。

考虑到环网之间的关联性，双环网耦合等效电势为

与式（3）联立，可得:

通过上述两式可分别得到负荷和发电机关联阻抗模型。

负荷、发电机关联阻抗为

式（10）的物理意义为考虑节点负荷电流变化影响下的负荷耦合特性的关联阻抗。

节点i的双环网系统负荷等值关联阻抗可表示为

2 双环网的有向图模型

双环网可以以有向图G（V，E）来表示。其中V={0，1，…，N-1}为节点集；E为边的集合。为便于求解双环网负荷极限，首先从双环网有向图链路可达性的方面进行分析。

对于负荷极限优化的阻抗关联度a1，a2，…，ak∈{f，b}符合以下条件:

式中:∀a1a2…ak∈{f，b}，a1与a2可互换，即∀k∈V，∃[a1a2(k)=a2a1(k)]。

对双环网有向图G（V，E）中任两节点k1和k2，若有函数a1a2…a7符合k2=a1a2…a7（k1），则称a1a2…a7为从k1到k2的路径函数。

设a1a2…ak为从n1到n2的一路径函数，若∀i∈（1≤i，k）V，使ai=f，则称a1a2…ak为从n1到n2的节点阻抗关联度。

对任一新能源双环网的路径L=a1a2…ak，路径函数式如下:

式中:preL(j)和postL(j)为双环网负荷极限路径的输入和输出表达式。

3 基于分布式路由算法负荷极限优化

3.1 不考虑不确定性的最佳路由算法

路由算法通过提高协议功能，减少路由计算时精度、速度低的问题，可通过路由算法寻找到双环网负荷极限最优的最佳链路。

(1)新能源双环网的路由传递路径新能源双环网G（V，E）中任两节点n1到n2的最短传输路径包含以下两种情况。

②最优路径至少包含一后向链，设为a1…axbax+1…ak，ai∈{f，b}，1≤i≤k，由前文可知，ba1…ak也是从n1到n2的最短路径。

双环网有向图中n1到n2的传输路径确定后，能够确保信包的路径最短，即双环网负荷极限值达到最优。

(2)新能源双环网的路由传递特性

①若（j-i）mod（N）≤d（N），i到j的最短路径为i到j的前向路径；

②否则，必存在一条从i到j的最短路径，其中至少包含一条后向链b0，此时，定义d（N）为G（V，E）的前后分界点。

为快速、准确地得到新能源双环网G（V，E）负荷极限边界点，对节点i=0进行分析。设新能源双环网效数xmin为大于N/（1+h）的最小整数，即双环网0节点开始到xmin+1条后向链b时，所经过的b链将不会再次途经0节点。新能源双环网的路由传递特性可表示如下:

④对节点k=N-xmin·h+h，有xmin-1≤k。0的后向链到k的最短路径为双环网最优路径。其中，xmin≤N/（1+h）+1；

⑤（N-xmin·h+h，N-1]的某节点k，从0到k的一条最短路径为从0的后向链出发到k的最短路径。

3.2 基于分布式容错路由算法负荷极限计算

设电网节点数为N，负荷极限边界点为d，分布式容错路由算法（DFRA）将信包s向g节点传送。

由于风速、光照强度等因素的不确定性会导致新能源出力具有不可控性，易造成电网节点电压的波动。随着新能源发电渗透率的不断提高，过于追求负荷的最大化调节可能会使电压越限。

将新能源双环网中电压越限的节点称为故障节点，以CNLs表示。DFRA将网络分成3种区域:[s，（s+d）mod（N）]，[（s-h）mod（N），（s-1）mod（N）]，[（s+d）mod（N）]。

根据节点g的分布区域和信包来源，判断信包的传送路径。双环网网络信包的传送流程如图2所示。

图2 双环网网络信包的传送流程Fig.2 Transmission process of double ring network envelope

若g处于s到（s+d）mod（N）的前向链中，即（g-s）mod（N）≤d，则执行如图3所示的流程。

图3 双环网路径传输判断Fig.3 Path transmission judgment of double ring network

若g位于（s+d）mod（N）到（s-h）mod（N）的前向链中，但没有处在该路径的始末端，则执行以下流程。

②如果后向链b中不含新能源双环网的故障点，那么新能源双环网沿后向链传送信包，可分为3种场景。

场景1:如果s到g的前向链中无故障，同时（g-s）mod（N）≤k+h，则沿前向链发送信包。

场景2:如果（s-h）mod（N）到s的前向链含有故障节点，信包传送同场景1。

场景3:如果不符合场景1，2，沿后向链传送信包。

4 仿真及结果分析

以辽宁电网为例，验证所提方法的有效性。源侧可供电负荷最大功率小系统仿真算例如图4所示。考虑实际电网中源侧短路电流通常为58 kA，500 kV线路标幺值0.01/100 km，考虑60 km500 kV线路阻抗为0.006。依据本文所提出的基于等效阻抗关联模型的双环网最大负荷规模评估模型，可得出源侧可供电负荷最大功率为10 000 MW。

图4 算例结构图Fig.4 The structure diagram of the calculation example

图6 考虑不确定性的负荷极限优化结果Fig.6 Load limit optimization results considering uncertainty

图5，6为不考虑和考虑不确定性负荷的极限优化结果。从图5，6中可以看出，考虑不确定性的负荷极限可调节量较小。利用本文的负荷极限优化方法能够有效增大负荷可调节量，这是因为考虑负荷关联阻抗特性，能够使负荷参与响应。另一方面，应用DFRA算法能够寻找最优的负荷极限路径。

图5 不考虑不确定性的负荷极限优化结果Fig.5 Load limit optimization results for zone 1 without considering uncertainty

以辽宁电网为例证明所提理论的有效性。辽宁电网北经4回500 kV线路（蒲梨#1线、蒲梨#2线、丰徐#1线、丰徐#2线）与吉林电网相连；西北部经500 kV科沙#1线、#2线与内蒙古通辽电网相连；西部经500 kV元燕#1线、青燕#2线和500 kV青宁#1、#2线与赤峰电网相连；西南部通过500 kV高岭背靠背换流站与华北电网相连；中部通过±500 kV呼辽直流与蒙东电网相连。

断开梨树-永安500 kV双回线、满科尔-沙岭500 kV双回线，吉林电网与辽中电网仅由东丰-徐家双回线相联，增加辽中电网地区负荷，计算东丰-徐家双回线静态电压稳定极限为3 900 MW，如图7所示。

图7 双环网的电压极限计算结果Fig.7 Calculation results of voltage limit of double loop network

丰徐线线路阻抗为0.1，利用PSD-BPA短路电流计算程序求得徐家站短路容量为38 844.8 MW。根据本文所提出理论，可求得丰徐线传输功率极限有名值为4 000 MW，与仿真计算结果3 900 MW相比，相对误差为3%。

5 结论

本文针对新能源双环网系统负荷可调节极限量化问题，建立了考虑电压稳定的双环网等效关联阻抗模型。在此基础上，建立了含分布式新能源并网的双环网负荷极限评估模型，并提出相应的求解算法。

①基于戴维南等效电路方法，建立含新能源的双环网戴维南等值电势和等效关联阻抗模型。

②为准确评估双环网负荷极限，提出一种分布式路由算法进行量化，并考虑新能源出力的不确定性，提出改进的分布式容错路由算法。

③以某地双环网为背景数据进行仿真，基于本文提出的分布式路由算法能够对不同时段的负荷极限进行优化，提高系统调节能力。